表面具有羧基和径向取向大孔的核壳结构磁性介孔二氧化硅微球的合成及其作为重金属离子吸附剂的研究外文翻译资料

 2022-03-14 21:13:53

英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

表面具有羧基和径向取向大孔的核壳结构磁性介孔二氧化硅微球的合成及其作为重金属离子吸附剂的研究

摘 要

在这项工作中，我们制备了一种新型多功能微球，该微球由有序的具有表面羧基功能化的介孔二氧化硅外壳和径向取向的大介孔，以及无孔二氧化硅包裹的磁铁矿核心(Fe3O4)组成，旨在去除水介质中的重金属离子。用透射电子显微镜、扫描电子显微镜、红外光谱、N2吸附-脱附、X射线衍射和磁化强度测量等手段对设计良好的多功能微球进行了表征。所制备的微球具有接枝的羧基稳定、可获得性好、介孔高度开放(11.03 nm)、磁化强度高(34.5 emu g-1)、比表面积大(165 m2g-1)等优势，对废水中Cd(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)的去除性能较好，吸附容量大，吸附速率快，且易于磁分离。

正 文

第一章 引言

快速的工业化产生了重金属污染，增加了水中重金属的浓度。即使在相当低的浓度下，积累的重金属也会对环境和人体健康造成极大的危害。废水中重金属的处理方法有化学沉淀法[1]、溶剂萃取法[2]、离子交换法[3]、吸附法[4-6]和纳米过滤法[7]，其中吸附法以其高效、简便、成本低而备受关注[8-10]。

介孔二氧化硅由于具有高比表面积、大孔容、孔径规则可调、化学稳定性好等特点，已被广泛用作吸附剂去除不同的重金属离子[11-12]。到目前为止，虽然介孔二氧化硅吸附剂已被开发出来，但其在废水处理中的实际应用仍存在回收不便的问题。近年来，核壳结构磁性介孔SiO2由于磁分离和回收工艺的便利性，在重金属吸附方面的应用受到了极大的关注。为了获得更好的吸附性能，在制备介孔二氧化硅的基础上，进一步结合介孔的优势和磁性，构建了核壳结构的磁性介孔二氧化硅，这将使其成为处理废水中重金属的极佳候选材料[13-14]。

另一方面，在介孔SiO2上可以通过修饰氨基或巯基等官能团，调节其与重金属离子的相互作用，从而将吸附性能提高到一个新的水平[15-16]。但合成后的修饰工艺不可控，会造成孔道堵塞，不利于吸附容量和吸附动力学。长期以来，将功能化表面和介孔相结合的介孔二氧化硅的制备一直是研究热点之一，它可以使表面具有固定重金属离子的活性，提高介孔的利用效率并快速传质[17-18]。

在综合考虑的基础上，我们制备了具有羧基功能化表面和径向取向大孔的核壳结构磁性介孔二氧化硅微球，它具有良好的可磁分离性、合适的表面性质和介孔结构等优点[19]。磁性微球上的径向取向大孔足够大，避免了表面改性造成的堵塞，使固定在介孔内的羧基能够形成。所制得的核壳结构磁性介孔二氧化硅微球对废水中的Cd(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)具有较快的吸附速度、较高的容量和良好的回收稳定性。

第二章 实验部分

2.1试剂

十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和(3-氨丙基)三甲氧基硅烷(APTMS)购自阿拉丁工业公司。其他化学品均购自北京化工公司，所有化学品均按原样直接使用，无需进一步提纯。所有实验均使用去离子水。

2.2制备方法

2.2.1 Fe3O4@SiO2@mSiO2的制备

按之前所述的方法[20]，制备了Fe3O4和Fe3O4@SiO2微球。将0.6 g的CTAB和0.2 g的三乙醇胺(TEA)通过强力机械搅拌溶解在60 mL去离子水中，使其充分分散在水中。加入0.15 g Fe3O4@SiO2微球，超声处理30 min。在得到的分散体中，连续加入0.2 mL正硅酸乙酯(TEOS)和0.18 mL环己烷。将混合物超声15 min，然后在60 ℃机械搅拌12 h，用磁场收集产物，然后用去离子水和乙醇反复洗涤。最后将产物在60 ℃下烘干，然后再550 ℃煅烧6 h(命名为Fe3O4@SiO2@mSiO2)。

2.2.2氨基功能化Fe3O4@SiO2@mSiO2微球的制备

将0.1 g Fe3O4@SiO2@mSiO2微球加入含有50 mL甲苯和4 mL APTMS的混合液中，在110 ℃下连续搅拌24 h后，用水和乙醇洗涤多次，在60 ℃下干燥6 h(命名为Fe3O4@SiO2@mSiO2-NH2)。

2.2.3羧基功能化Fe3O4@SiO2@mSiO2微球的制备

将0.1 g Fe3O4@SiO2@mSiO2-NH2微球分散在30 mL戊二醛溶液(5 wt%)中超声1 h，回收的微球用去离子水洗涤除去物理吸附的物质，然后在30 mL H2O2溶液(30 wt%)中在40 ℃下机械搅拌6 h重新分散，产物经磁分离，用去离子水洗涤几次，在60 ℃下干燥6 h，再将其重新分散在30 mL的H2O2溶液中，在40 ℃下机械搅拌6 h，产品经磁分离，用去离子水洗涤多次，在60 ℃下干燥6 h(命名为Fe3O4@SiO2@mSiO2-COOH)。

2.3结构表征与性能测试

透射电子显微镜(TEM)使用型号为JEM-2000。扫描电子显微镜(SEM)使用型号为JSM-5600。红外光谱使用Perkin-Elmer系列的红外光谱仪，并采用KBr压片技术进行测定。在美国Micromeritics ASAP2020HD88分析仪上，用N2吸附-脱附等温线和BJH法测定了77 K时的比表面积。X射线衍射仪采用Bruker D8型先进X射线衍射仪，光源为Cu Kalpha;，工作电压为9 kV，电流密度为200 mA。样品的磁化强度测量是在室温下用Quantum Design振动样品磁强计测量的，磁场扫描范围为-15~15 kOe。用原子吸收光谱法测定溶液中重金属离子的浓度。

2.4重复使用研究

对于Fe3O4@SiO2@mSiO2-COOH微球的潜在实际应用而言，吸附剂的重复使用是非常必要的。将用过的Fe3O4@SiO2@mSiO2-COOH微球转移到1 M盐酸溶液中超声振荡1 h，然后用去离子水洗涤多次，以便下一次循环使用。

第三章 结果与讨论

3.1多功能核壳结构磁性介孔二氧化硅微球的可控制备

核壳结构的Fe3O4@SiO2@mSiO2-COOH微球可以通过多步方法制备(方案1)。首先，在Fe(Ⅲ)盐还原的基础上，通过溶剂热反应制备了Fe3O4微球。Fe3O4微球呈近球形，平均直径约为350 nm(图S1a-c，参见esidagger;)。利用STouml;ber方法，可以在Fe3O4微球表面覆盖一层薄薄的二氧化硅，形成Fe3O4@SiO2微球(图S1d-fdagger;)。二氧化硅壳层可以有效地防止Fe3O4微球在恶劣的液体环境中发生化学降解和团聚。Fe3O4@SiO2微球仍保持球形，呈核壳结构。还可以清楚地看到，Fe3O4核为黑色球体，SiO2壳层呈灰色，平均厚度约为30 nm。随后，通过以CTAB为表面活性剂控制TEOS水解的表面活性剂模板法，在Fe3O4@SiO2微球表面包覆一层介孔SiO2，然后在空气中煅烧，形成径向取向的大介孔(图S1g-idagger;)。Fe3O4@SiO2@mSiO2微球几乎是单分散的，具有明显的三层结构，包括Fe3O4核、SiO2中间层和厚度为50 nm的介孔SiO2外层。最后，为了引入羧基，首先用活化Fe3O4@SiO2@mSiO2微球，制备得到氨基功能化的Fe3O4@SiO2@mSiO2微球。然后将戊二醛接枝到这些氨基上，并用H2O2处理(详见实验部分)，通过该方法处理制备了Fe3O4@SiO2@mSiO2-COOH微球(图1a)。平均粒径约为510 nm的Fe3O4@SiO2@mSiO2-COOH(图1b和图1c)微球仍然保持了Fe3O4@SiO2@mSiO2微球的形态特征。结果表明，经多步改性后的Fe3O4@SiO2@mSiO2-COOH微球分散性好，无团聚现象，径向取向的大介孔保持完好，表明样品性质均匀。

方案1 Fe3O4@SiO2@mSiO2-COOH微球形成过程示意图

图1 Fe3O4@SiO2@mSiO2-COOH微球(a和b)的TEM和SEM，以及由SEM图像计算出的Fe3O4@SiO2@mSiO2-COOH微球的粒度分布直方图(c)

对Fe3O4@SiO2@mSiO2、Fe3O4@SiO2@mSiO2-NH2和Fe3O4@SiO2@mSiO2-

COOH微球的整个表面改性过程进行了红外光谱测试(图2)。所有微球的吸收峰集中在575 cm-1(Fe-O振动模式)、799 cm-1(Si-O-Si对称伸展)、1081 cm-1(Si-O-Si不对称伸展)、1635 cm-1(吸附水的delta;O–H和游离氨基或质子化氨基的delta;N–H)和3400 cm-1(O-H和N-H伸展带) [16]。与Fe3O4@SiO2@mSiO2微球相比，Fe3O4@SiO2@mSiO2-NH2微球(图2B)在949 cm-1处的S

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[418533]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章